基于BIM技术的超高脱硫塔创新设计研究*

佘雨阳 王淞杰 李明 张小明 黎嘉琳长春工程学院 吉林 长春 130012

1 研制背景及意义

伴随工业的发展，其对环境的影响日益凸现。近年各地雾霾频现、全球气候变暖，大气污染治理是人类共同面临的难题。而燃煤锅炉、工业窑炉及垃圾焚烧炉等产生的以二氧化硫、二氧化碳为主的气体，是其罪魁祸首。烟气脱硫是降低煤燃烧产生的主要污染物二氧化硫的主要措施。脱硫塔是烟气脱硫工艺的核心设备。

然而在传统的脱硫塔施工作业中存在着各种弊端。因为各阶段之间的沟通不畅以及相互之间协作能力较差，往往是一边施工一边改，造成了人力物力以及财力的大量浪费；传统的施工图纸是依靠平面图再配合施工人员的想象力以及个人经验与能力进行具体作业，由于阅读不详细，人员能力不足造成施工阶段质量差，效率低等问题；传统的施工中，像施工方、监理方、业主方的领导很多都是非工程专业出身，对于专业的二维图纸很少能够读懂，容易对施工环节产生误解，以及造成各方之间沟通上的障碍；且传统的效果展示只是停留在视觉效果上，例如应用3DMAX进行特效的展示，让人看着非常炫丽，但是缺乏真实性。

目前，我国传统的施工管理工作还没有形成健全的管理体系，施工企业的专业能力参差不齐，工程分包不正规等问题，严重影响了施工进度。

在施工质量管理上，很多管理人员没有科学的管理计划，具体问题表现在：分工不明确、权责划分不清晰；材料设备的管理不科学等。在施工材料上也存在许多值得注意的问题，因为它对施工质量起到决定性作用：材料的质检方法不够科学、不够先进，比如，没有利用先进的计算机软件进行数据的采集、统计和分析，工作量大且烦琐，很容易出现错误[1]。

2 基于BIM技术的超高脱硫塔设计研究的创新点

采用高效折板除雾器，提高脱水率，在原有一层除雾器上方再增设两层屋脊形除雾器，一共三层，使得雾滴浓度达到不大于50㎎/m³的要求。优化喷淋装置，提高脱硫效果，对原有喷淋层的喷嘴进行优化选型，可明显提高脱硫效果。节省材料，降低工程费用，利用BIM技术对该超高脱硫塔的施工过程进行动态模拟，清楚的展现出施工流程，并且对不同施工方案做出材料分析计划，以便找出最优的方案，最大限度地节省材料，降低工程费用。缩短工期，降低施工风险，利用BIM的施工仿真功能进行脱硫塔施工方案的模拟优化，预知该超高脱硫塔施工过程中的难点与风险，提高施工效率和施工方案的安全性，减少返工，降低风险。减少烦琐的人工操作和潜在错误，基于BIM模型中富含的工程信息，计算机可快速对各种构件进行统计分析，大大减少了烦琐的人工操作和潜在错误，实现了工程量信息与设计文件的统一[2]。

3 设计方案

3.1 原有技术方案概述

该超高脱硫塔采用石灰石-石膏法脱硫技术，主要由六部分组成。

（1）组成系统

①脱硫浆液制备系统。脱硫剂制备系统为3台炉共用。脱硫剂制备系统主要包括粉仓、计量给料装置、布袋除尘器、石灰石乳池、石灰石乳池搅拌器、石灰石乳泵及相应管路等[3]。②SO2吸收系统。为在保证高脱硫效率的同时减少运行成本，本方案设计为逆流式喷雾吸收塔布置方式，塔体材质为碳钢，内衬电厂成熟的玻璃鳞片防腐，使用寿命20年以上。③吸收液循环喷淋系统。浆液循环系统包括塔釜循环池、循环泵（喷淋泵）、喷淋布浆管路及喷嘴，使吸收浆液与原烟气进行充分的接触。④氧化空气系统。每台脱硫塔塔釜设置一套氧化系统，由氧化风机和曝气管路组成。氧化风机置于塔釜循环池附近，曝气管路至于循环池底部。氧化风机通过曝气管路将空气输送至循环池内使亚硫酸钙氧化为硫酸钙，完成曝气氧化过程。⑤脱硫废液和副产物处理系统。副产物处理系统为3台炉共用。主要设备有石膏泵、塔釜反应池、水力旋流器、过滤机、滤液池、滤液泵等。⑥滤液系统。该系统为3炉共用，主要设备由滤液池、滤液池搅拌器、滤液泵等，用于汇集排放管的溢流、密封泄露和设备冲洗水，浆池设一台搅拌器，防止浆液沉淀。滤液池中浆液可以通过滤液泵返回脱硫塔。滤液泵设计2台，一用一备。⑦工艺水系统及其他公用设施。湿法脱硫主要依靠脱硫浆液洗涤烟气来脱除二氧化硫，所以洗涤后的烟气将带走大量的水分，所以必须向吸收塔中补充工艺水来实现水量平衡，吸收塔的水量补充主要有以下几个途径：①脱硫塔的补充水；②脱硫浆液的补充水；③除雾器冲洗水，要求进塔时压力不小于0.2MPa；④其他用水点，如轴承冷却水、氧化风冷却水等；⑧烟气系统。在脱硫塔内，烟气中的酸性成分SO2、SO3、HF及HCl等酸性物质被脱除，同时脱硫塔还具有一定的除尘作用。被净化的烟气经过脱硫塔顶部的除雾器除去烟气中携带的液滴，分离下来的液滴返回到脱硫塔。离开脱硫塔的净烟气从烟囱排出。

（2）工艺流程

本技术方案采用先除尘后脱硫的净化方案：经布袋除尘器除尘后的烟气进入脱硫塔脱硫，经均气降温层均气降温后，与来自上层喷淋装置的脱硫浆液进行充分的传质、吸收，吸收烟气中的大部分SO2并继续脱除剩余的细尘，之后烟气经高效折板除雾器脱水除雾后，进入烟囱达标排放。塔釜循环池排出的部分浓浆进入水力旋流器，上部清液利用水力旋流器和循环池液位的高差自动返回塔釜循环池，底部35%以上浓度的浓浆由石膏泵送入共用的通过压滤，形成滤饼，送至灰渣厂。滤渣成分其主要为含水率10%以下的石膏及其他杂质（主要来源于烟气中的烟尘及脱硫剂中的杂质）的物料体系；滤液排入清水池，通过清水泵重新参与脱硫，同时，为避免脱硫浆液中杂质和氯离子浓度不断提高，将一小部分排出系统。

3.2 技术方案的改进

本研究项目创新改进超高脱硫塔中的喷淋装置和除雾器，以增加喷淋和除雾的效果，提高脱硫效率和降低烟气含水率。主要进行了以下创新设计：①对喷淋层上的喷嘴进行创新设计，优化喷嘴，增强脱硫效果并且可以最大程度避免阻塞。②在原有一层除雾器上方再增设两层屋脊形除雾器，一共三层，使得雾滴浓度达到不大于50㎎/m³的要求[4]。

（1）喷淋装置的技术改进

本系统设四个喷淋层。喷淋层间距的设计不仅考虑到满足性能要求，而且充分考虑到便于工作人员进入脱硫塔对浆液分配管网及喷嘴进行检修和维护。

通过对喷嘴进行优化布置，使脱硫塔断面上几乎完全均匀地进行喷淋。喷淋层上的喷嘴原为实心锥陶瓷的，而我们在喷淋层上安装进口大通道空心锥喷嘴，喷嘴材料为钴合金或碳化硅，既可轻易输送大颗粒浆液，又能提高雾化效果。该种喷嘴在较低的压力降下可使喷出的浆液喷射角度精确而且雾化效果好，并提高了浆液的喷淋速率。喷嘴设计紧凑，在给定尺寸下得到最大流量，畅通的通道设计最大程度避免阻塞现象，而且碳化物的喷嘴材料耐磨比率很高，既保证了运行的稳定性又提高了使用寿命，目前已广泛用于电厂脱硫系统中。

喷淋系统能使浆液在脱硫塔内均匀分布，流经每个喷淋层的流量相等。喷淋层的总体布置增加了浆液与气体的接触面积和概率，保证对整个塔体有效横截面（烟气分布横截面）进行不低于200%的覆盖。

喷嘴性能的计算：脱硫塔喷嘴为脱硫塔内部核心部件，它的选用是否适当影响整个系统能否正常运行以达到所要求的脱硫效率，现对我们所设计的喷嘴规格参数做以下介绍：

流量喷嘴流量因喷雾压力而异，它随喷雾压力的增大而增大。一般说，流量和压力的关系如下：

密度是液体的一定容量与相同容量水的质量之比。在喷雾中，液体（除水外）密度主要影响喷雾喷嘴的流量（所列数值均以水作为喷射介质，当应用水以外的液体时，须应用一个换算系数来确定喷嘴的流量）。

（2）除雾器的技术改进

在脱硫剂与烟气充分吸收反应后，烟气中携带大量水汽雾滴，当烟气温度低于露点后，烟气中的水蒸气会凝结结露形成酸雾，对烟道及烟囱造成腐蚀及“烟囱下雨”现象，所以脱硫塔出口烟气中雾滴的浓度不宜大于75㎎/m³，而我们通过在原有一层除雾器上方再增设两层屋脊形除雾器，一共三层，屋脊式除雾器设计流速大，经波纹板碰撞下来的雾滴可集中流下，减轻烟气夹带雾滴现象，除雾面积也比水平式大，因此除雾效率高，使得雾滴浓度达到不大于50㎎/m³的要求。

4 BIM技术在本研究项目超高脱硫塔中的具体应用

4.1 设计阶段的应用

用BIM相关软件对该超高脱硫塔进行三维设计，它建立在平面和二维设计的基础上，让设计目标更立体化，更形象化。在本研究项目中，我们在设计阶段应用到了BIM技术中的参数化设计和碰撞检查功能，其中参数化设计使我们只要改一处，与其相关联的实例均会自动更改，大大解决了以往更改图纸时耗时耗力的现象，同时碰撞检查功能为我们减少了很多返工和设计变更的问题，比如脱硫塔外侧的楼梯平台与塔体上的管道的碰撞问题，以往在设计过程中很难完全发现所有碰撞问题，然而利用BIM技术，我们可以在设计过程中直观快速找到问题。并且通过做出效果图和漫游动画，以及利用3D打印技术制作出实体模型，可以更方便向客户展示[5]。

4.2 施工前模拟阶段的应用

利用BIM技术进行该项目脱硫塔构件详细信息查询，检查和验收信息将被完整的保存在BIM模型中，相关单位可快捷地对任意构件进行信息查询和统计分析，在保证施工质量的同时，能使质量信息在运维期有据可循。结合脱硫塔的施工方案，施工模拟和现场视频监测进行基于BIM技术的虚拟施工，可以根据可视化效果看到并不了解的施工的过程和结果，可以较大程度地降低返工成本和管理成本，降低风险，增强管理者对施工过程的控制能力。

5 经济性分析

通过5D施工模拟，进行施工方案预演，及时找出施工过程中存在的问题，得出合理的人材机的配比，使人工费、材料费、机械费可明显减少，而且工期也可明显缩短。施工仿真模拟结果显示，对于该超高脱硫塔，通过利用BIM技术，提高了施工效率与质量，缩短了工期，减少了施工过程中的材料浪费[6]。

6 结束语

由于此脱硫塔属于超高层建筑，工程量大，所富含的工程信息颇多，而且存在的设计错误与漏洞比较多，潜在风险也大，因此运用BIM技术来指导该项目的设计和施工具有重要意义。由于BIM参数模型提供的信息中包含了每一项工作所需的资源，包括人员、材料、设备等等，所以其为总承包商与各分包商之间的协作提供了基石，最大化地保证资源准时制管理、削减不必要的库存管理工作、减少无用的等待时间、提高生产效率。

[1]葛清.BIM第一维度:项目不同阶段的BIM应用[M].北京:中国建筑工业出版社,2013:99-101.

[2]刘广文.BIM应用基础[M].上海:同济大学出版社,2013:77-78.

[3]郭东明.脱硫工程技术与设备[M].北京:化学工业出版社,2012:59.

[4]鲍学英.BIM基础及实践教程[M].北京:化学工业出版社,2016:17-18.

[5]葛文兰.BIM第二维度:项目不同参与方的BIM应用[M].北京:中国建筑工业出版社,2011:119-120.

[6]郭东明.脱硫工程技术与设备[M].北京:化学工业出版社,2011:149.